旋转变压器与无刷直流伺服电机在天气预报雷达中的应用

1、电气学科大类 10 级新型电机课程论文旋转变压器与无刷直流伺服电机在天气预报雷达中的应用姓 名： 学 号：专业班级 ：电气1006班 引言：本课程设计选择两种微特电机设计一个微特电机系统，考虑到社会生产发展需求，本文设计了一个电机系统，其中使用无刷直流伺服电动机作为天气预报雷达所采集信息的记录仪，选择旋转变压器作为天线轴角位移信息的检测装置。关键字：天气预报雷达、无刷直流伺服电动机、旋转变压器模块A：天气预报雷达天线轴角检测装置（旋转变压器）一、项目研究的目的与意义旋转变压器用于运动伺服控制系统中，作为角度位置的传感和测量用。早期的旋转变压器用于计算解答装置中，作为模拟计算机中的主要组成部分之

2、一。其输出，是随转子转角作某种函数变化的电气信号，通常是正弦、余弦、线性等。这些函数是最常见的，也是容易实现的。在对绕组做专门设计时，也可产生某些特殊函数的电气输出。但这样的函数只用于特殊的场合，不是通用的。60年代起，旋转变压器逐渐用于伺服系统，作为角度信号的产生和检测元件。三线的三相的自整角机，早于四线的两相旋转变压器应用于系统中。所以作为角度信号传输的旋转变压器，有时被称作四线自整角机。随着电子技术和数字计算技术的发展，数字式计算机早已代替了模拟式计算机。所以实际上，旋转变压器目前主要是用于角度位置伺服控制系统中。由于两相的旋转变压器比自整角机更容易提高精度，所以旋转变压器应用的更广泛。

3、特别是，在高精度的双通道、双速系统中，广泛应用的多极电气元件，原来采用的是多极自整角机，现在基本上都是采用多极旋转变压器。作为角度位置传感元件，常用的有这样几种：光学编码器、磁性编码器和旋转变压器。由于制作和精度的缘故，磁性编码器没有其他两种普及。光学编码器的输出信号是脉冲，由于是天然的数字量，数据处理比较方便，因而得到了很好的应用。早期的旋转变压器，由于信号处理电路比较复杂，价格比较贵的原因，应用受到了限制。因为旋转变压器具有无可比拟的可靠性，以及具有足够高的精度，在许多场合有着不可代替的地位，特别是在军事以及航天、航空、航海等方面。随着电子工业的发展，电子元器件集成化程度的提高，元器件的价

4、格大大下降;另外，信号处理技术的进步，旋转变压器的信号处理电路变得简单、可靠，价格也大大下降。而且，又出现了软件解码的信号处理，使得信号处理问题变得更加灵活、方便。这样，旋转变压器的应用得到了更大的发展，其优点得到了更大的体现。和光学编码器相比，旋转变压器有这样几点明显的优点：1.1、无可比拟的可靠性，非常好的抗恶劣环境条件的能力;1.2、可以运行在更高的转速下。（在输出12 bit的信号下，允许电动机的转速可达60,000rpm。而光学编码器，由于光电器件的频响一般在200kHz以下，在12 bit时，速度只能达到3,000rpm）;1.3、方便的绝对值信号数据输出。 综上所述，利用其优点将

5、其应用于天气预报雷达将产生良好的应用效果和数据采集性能。二、旋转变压器的应用前景旋转变压器的应用，近期发展很快。除了传统的、要求可靠性高的军用、航空航天领域之外，在工业、交通以及民用领域也得到了广泛的应用。特别应该提出的是，这些年来，随着工业自动化水平的提高，随着节能减排的要求越来越高，效率高、节能显著的永磁交流电动机的应用，越来越广泛。而永磁交流电动机的位置传感器，原来是以光学编码器居多，但这些年来，却迅速地被旋转变压器代替。可以举几个明显的例子，在家电中，不论是冰箱、空调、还是洗衣机，目前都是向变频变速发展，采用的是正弦波控制的永磁交流电动机。目前各国都在非常重视的电动汽车中，电动汽车中所

6、用的位置、速度传感器都是旋转变压器。例如，驱动用电动机和发电机的位置传感、电动助力方向盘电机的位置速度传感、燃气阀角度测量、真空室传送器角度位置测量等等，都是采用旋转变压器。在应用于塑压系统、纺织系统、冶金系统以及其他领域里，所应用的伺服系统中关键部件伺服电动机上，也是用旋转变压器作为位置速度传感器。三、旋转变压器的结构根据转子电信号引进、引出的方式，分为有刷旋转变压器和无刷旋转变压器。在有刷旋转变压器中，定、转子上都有绕组。转子绕组的电信号，通过滑动接触，由转子上的滑环和定子上的电刷引进或引出。由于有刷结构的存在，使得旋转变压器的可靠性很难得到保证。因此目前这种结构形式的旋转变压器应用的很少

7、，我们着重于介绍无刷旋转变压器。目前无刷旋转变压器有两种结构形式。一种称作为环形变压器式无刷旋转变压器，另一种称作为磁阻式旋转变压器。1）环形变压器式旋转变压器图1示出环形变压器式无刷旋转变压器的结构。这种结构很好地实现了无刷、无接触。图中右侧部分是典型的旋转变压器的定、转子，在结构上和有刷旋转变压器一样的定、转子绕组，作信号变换。左侧是环形变压器。它的一个绕组在定子上，一个在转子上，同心放置。转子上的环形变压器绕组和作信号变换的转子绕组相联，它的电信号的输入输出 由环形变压器完成。A普通旋转变压器 B环形变压器图1无刷式旋转变压器结构示意2）磁阻式旋转变压器图2是一个10对极的磁阻式旋转变压

8、器的示意图。磁阻式旋转变压器的励磁绕组和输出绕组放在同一套定子槽内，固定不动。但励磁绕组和输出绕组的形式不一样。两相绕组的输出信号，仍然应该是随转角作正弦变化、彼此相差90°电角度的电信号。转子磁极形状作特殊设计，使得气隙磁场近似于正弦形。转子形状的设计也必须满足所要求的极数。可以看出，转子的形状决定了极对数和气隙磁场的形状。磁阻式旋转变压器一般都做成分装式，不组合在一起，以分装形式提供给用户，由用户自己组装配合。图2 磁阻式旋转变压器结构示意3） 多极旋转变压器图3多极旋转变压器的结构示意图。图3 a)、b) 是共磁路结构，粗、精机定、转子绕组公用一套铁心。所谓粗机，是指单对磁极的

9、旋转变压器，它的精度低，所以称为粗机；精机是指多对极的旋转变压器，由于精度高，多对磁极的旋转变压器称为精机。其中图3a) 表示的是旋转变压器的定子和转子组装成一体，由机壳、端盖和轴承将它们连在一起。称为组装式，图3b) 的定转子是分开的，称为分装式。图3c)、d) 是分磁路结构，粗、精机定、转子绕组各有自己的铁心。其中图4c)、d)都是组装式，只是粗、精机位置安放的形式不一样，图3c) 的粗、精机平行放置，图3d) 粗、精机是垂直放置，粗机在内腔。另外，很多时候也有单独的多极旋转变压器。应用时，若仍需要单对极的旋转变压器，则另外配置。共磁路 分磁路a)组装式 b)分装式 c)粗精平行放置 d)

10、粗精垂直放置图3多极旋转变压器结构示意对于多极旋转变压器，一般都必须和单极旋转变压器组成统一的系统。在旋转变压器的设计中，如果单极旋转变压器和多极旋转变压器设计在同一套定、转子铁心中，而分别有自己的单极绕组和多极绕组。这种结构的旋转变压器称为双通道旋转变压器。如果单极旋转变压器和多极旋转变压器都是单独设计，都有自己的定、转子铁心。这种结构的旋转变压器称为单通道旋转变压器。四、旋转变压器工作原理4.1 旋转变压器角度位置伺服控制系统图4是一个比较典型的角度位置伺服控制系统。XF称作旋变发送机，XB称作旋变变压器。旋变发送机发送一个与机械转角有关的、作一定函数关系变化的电气信号；旋变变压器接受这个

11、信号、并产生和输出一个与双方机械转角之差有关的电气信号。伺服放大器接受选变压器的输出信号，作为伺服电动机的控制信号。经放大，驱动伺服电动机旋转，并带动接受方旋转变压器转轴及其它相连的机构，直至达到和发送机方一致的角位置。旋变发送机的初级，一般在转子上设有正交的两相绕组，其中一相作为励磁绕组，输入单相交流电压；另一相短接，以抵消交轴磁通，改善精度。次级也是正交的两相绕组。旋变变压器的初级一般在定子上，由正交的两相绕组组成；次级为单项绕组，没有正交绕组。图4旋转变压器角度位置伺服控制系统 应该指出，由于结构的关系，磁阻式旋变只有旋变发送机，没有旋变变压器。4.2 工作原理前面已经介绍过，旋转变压器

12、有旋变发送机和旋变压器之分。作为旋变发送机它的励磁绕组是由单相电压供电，电压可以写为式（1）形式： （1）其中，U1m励磁电压的幅值，励磁电压的角频率。励磁绕组的励磁电流产生的交变磁通，在次级输出绕组中感生出电动势。当转子转动时，由于励磁绕组和次级输出绕组的相对位置发生变化，因而次级输出绕组感生的电动势也发生变化。又由于次级输出的两相绕组在空间成正交的90°电角度，因而两相输出电压如式（2）所示： （2）其中，U2Fs正弦相的输出电压，U2Fc余弦相的输出电压，U2Fm次级输出电压的幅值；F励磁方和次级输出方电压之间的相位角，F发送机转子的转角。可以看出，励磁方和输出方的电压是同频率

13、的，但存在着相位差。正弦相和余弦相在电的时间相位上是同相的，但幅值彼此随转角分别作正弦和余弦函数变化。图5旋变发送机两相输出电压和转角的关系曲线旋变发送机的两相次级输出绕组，和旋变变压器的原方两相励磁绕组分别相联。这样，式（2）所表示的两相电压，也就成了旋变变压器的励磁电压，并在旋变变压器中产生磁通B。旋转变压器的单相绕组作为输出绕组，旋变发送机次级绕组和旋变变压器初级绕组中流过的电流为 （3） 由这两个电流建立的空间和成磁动势为 （4）式（4）表示在旋变发送机中，合成磁动势的轴线总是位于F角上，亦即和励磁绕组轴线一致的位置上，和转子一起转动。可以知道，在旋变变压器中，合成磁动势的轴线相应地也

14、是和A相绕组距F角的位置上。只是由于电流方向相反，其方向也和在旋变发送机中相差180°。若旋变变压器转子转角为B，则其单相输出绕组轴线和励磁磁场轴线夹角相差=FB。那么，输出绕组的感应电动势应是： （5）将输出绕组在空间移过90°。这样，在协调位置时，输出电动势为零。此时，输出电动势和失调角的关系成为正弦函数： （6）图6旋变变压器输出电动势和失调角的关系曲线从图6和式（6）可以看出，输出电动势有两个为零的位置，即0°和在180°。在0°和180°范围内，电动势的时间相位为正， 在 180°和 360°范围内， 电

15、动势的时间相位变化了180°。180°的这个点属于不稳定点，因为在这个点上，电动势的梯度为负。当有失调角时，旋变变压器输出绕组电动势不为零，这个电动势控制伺服放大器去驱动伺服电动机，驱使旋变变压器和其它装置转到协调位置。这时，输出绕组的输出为零，伺服电动机停止工作。因此，根据信号幅值大小和正、负方向工作的伺服电动机，总是把旋变变压器的转轴带到稳定工作点 0°的位置上。五、旋转变压器在天气雷达中的应用新一代多普勒天气雷达采用的是正余弦旋转变压器，其结构也是由定子和转子组成。如下图7所示：转子有两个相互垂直的绕组一个是激磁绕组D1D2，由输入电压供电；另一个是补偿绕组

16、D3D4。定子也有两个绕组，两个绕组的放置为：一个绕组产生具有参考频率的电压，其幅值正比于轴角的正弦；另一个绕组产生一个值正比于轴角的余弦的电压。图7 正余弦旋转变压器接线图 通常把交流电源U0接入定子直轴绕组中，那么直轴绕组D1D2就成为激磁绕组。如果转子上的输出绕组接上负载，就构成了一个输出电路。 旋转变压器输入电压为U0=Um*sin(wt) 则输出绕组Z1Z2和Z3Z4的端电压分别为U12=Um*sin(wt)*sinU34=Um*sin(wt)*cos通过调节转子转角目的大小，输出绕组Z1Z2易输出的电压按余弦规律变化，故又叫余弦输出绕组，绕组Z3Z4输出的电压按正弦规律变化，故叫做

17、正弦输出绕组。图8表示了输出电压的波形：图 8 旋转变压器输出波形当励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系。由于它内部的电路采用了二阶伺服回路，因而它输出的数字量是连续跟踪输入轴变化。雷达中的伺服系统是用来控制天线转动的，它能够按照RDASC信息处理机发布的位置命令使天线准确、快速地转动到指定的位置，亦能够按照RDASC信息处理机发布的速度命令精确地使天线匀速转动。伺服系统在电路上采用了三个环路的结构形式：位置环、速度环和加速度环，位置环加一级微分电路得到速度环，再加一级微分电路得到加速度环。将数字控制电路与机械电机联系起来的关键环节是散模转换器和

18、轴角编码器。位置环由计算机、数模转换器DIA、速度环和轴角编码器构成。通过轴角编码器将系统输出转角转换成数字电压信号送到计算机由计算机按相应控制算法计算后，将数据送至DA，控制电机转动,直到输出角等于输人角即误差等于零时电机才停止转动。在CINRADSA雷达当中旋转变压器的位置如下图9所示：图9 原理框图图中，激磁信号出来后，经过旋转变压器输出粗精两路电压信号一路电压信号与天线轴角正弦成正比另一路电压信号与天线轴角余弦成正比。这两路粗精电压信号进入RDC旋转变换电路，出来后形成数字信号进人PLD可编程逻辑器件该数字信号在PLD可编程逻辑器件中通过置位脉冲和移位脉冲控制下，将数据按照先俯仰后方位

19、的排列顺序输入到光端机，再通过光纤连接到接收机数字面板。我们就可以根据数字板显示的数字来判断天线的位置。模块B：天气预报雷达信息采集记录装置设计（无刷直流伺服电动机）一、项目研究的意义和目的 新型的可靠性高的无刷直流伺服电动机,用没有机械损耗的电子回路代替电机的电刷和整流子,已用于新型记录仪中。该电动机具有力矩波动小和起动电压低等优点。直流电动机作为伺服电动机,本质上具有优良特性,但电刷的存在却影响了其使用。近年来,以电子电路取代电刷和换向器的无刷直流电动机已开始用于高性能、高级指示式记录仪和音响设备中。所以，该类型电机可以胜任记录天气预报雷达所采集的信息的任务。二、无刷直流伺服电动机与传统电

20、机的比较图10 传统直流伺服电动机图11 无刷直流伺服电动机剖面图 10 为传统直流伺服电动机的外形。图11为无刷直流伺服电动机剖面图。下表列出两者特性的比较：表1 直流伺服电动机特性比较表三、无刷直流电机的结构无刷直流电机是一种电枢固定、磁场旋转的旋转磁场型直流电动机,由电枢,定子,转子以及位置传感器等组成。图12为其分解图。图12 无刷直流伺服电机分解图3.1电枢电枢绕组为全距波绕组,其形状为空心杯型的无铁心式电枢。图13是电枢装配顺序:先用绕线模绕两只扁平线圈,并使其分别形成“u”形;然后将此两线圈套在一起,组装成空心杯型结构,并用环氧树脂充填固化整个结构。图13 电枢线圈的成型和组装3

21、.2定子定子由带菱形法兰盘的 圆筒型压铸外壳、环状定子铁心以及十字形端盖组成。两个同样形状的含油铜轴承 分别压入壳体和十字形端盖中。3.3转子转子由产生旋转磁场的圆筒型各向同性钡铁氧体永磁体和经淬火磨削的轴组成。磁体外面磁化成四极,使与电枢导体垂直的磁场成正弦分布,得到气隙最大磁密0.13Wb/。3.4位置传感器电枢线圈和旋转磁场之间的相对位置用非接触检测,对旋转磁场型无刷直流电动机是不可缺少的。此位置传感器由两个霍尔发生器和磁化成四极的转子永磁体组成。霍尔发生器是在2.4*3.1mm² ,的铁氧体衬底上沉积以InSb 的磁感应元件。在弯成圆筒状的印刷电路板上,将两霍尔发生器互成90

22、度电角度固定,然后将此组件配置在电枢线圈的外周部。用霍尔发生器检测旋转磁场的极性和大小。并用它们的输出讯号来对各电枢线圈电流进行换流控制。四、工作原理图14所示为无刷直流伺服电动机的换流控制电路,图15则为其工作原理。使跟电动机控制电压凡成正比的霍尔电流IH流过相串联的两个霍尔发生器 Hl、H2。对霍尔发生器加旋转磁场,就产生与霍尔电流和磁通密度BH之积成正比的霍尔电压 VH。将此两电压放大并加至电枢线圈W上,得到电枢电流IW。由于两个霍尔发生器互成90°电角度，霍尔发生器的磁场随转子的旋转成正弦波变化,所以在两个电枢线圈中流有两相正弦波电流。图14 换流控制电路图15 无刷直流伺服

23、电机工作原理以下用图15来定性地说明其工作原理。当电枢电流和旋转磁场的极性处(I)的状态时,各电枢导体中,将在遵循左手定则的方向上产生作用力,其大小与电枢电流和与导体垂直的磁场与磁通密度之积成正比。由于此处导体是固定的,故其反作用将使转子发生顺时针的转矩。随着转子的旋转,各导体电流的大小和极性发生变化,成为状态(I)。这与状态(I)相同,只是转子转过45°。因此,在转子上产生与(I)同方向的转矩,使转子继续顺时针旋转。在(II)及(IV)状态下,也产生同样的转矩,使转子继续顺时针旋转。电枢电流的大小和相位,由电动机控制电压决定,故用E可控制电动机的输出和旋转方向。这种电动机,理论上仅

24、用两个电枢线圈就可使转矩脉动为零。现在简单说明其原理。假设通过一个电枢线圈的电流为，与电枢导体垂直的磁场磁密为，则由该电枢线圈将在转子上 产生转矩为。同理,另一电枢线圈,在转子中产生的转矩为。设两转矩之和为电动机的转矩T0。即。力矩与转子的旋转角无关，而是一个定值。五、无刷直流伺服电动机设计无刷直流伺服电动机它不同于传统的电机,电枢不存在齿槽结构,而是采用表面绕组;电枢铁芯是环状的,绕组均匀的粘贴在环形铁芯上。转子由转轴转子导磁体和永磁材料组成,转子导磁体套在转轴上,永磁体采用高性能稀土永磁材料。无槽无刷直流电动机的设计原则为:在保证电气性能和机械可靠性的前提下,合理地设计出电动机的电气气隙、确定出磁性材料的体积、厚度,最大程度地提高稀土永磁材料的利用率,从而得到高功率/体积比和转矩/体积比的伺服电动机。5.1气隙的预选值5.2磁钢的厚度气隙和磁钢厚度的选择以充分利用高性能永磁材料的利用率为原则。磁钢的形状和极弧系数等的选择与所选定的驱动方式、通电形式等有关,气隙磁通的计算也根据所采用的驱动方式的不同而采用不同